基于eMTC的物联网规划优化关键技术研究

蔡淇楷，黄必鑫，赵 元，卢丽文

（1.中国联通厦门分公司，福建厦门361009；2.中国联通网络技术研究院，北京100048）

0 引言

物联网是未来信息技术发展的重要组成部分，其主要技术特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而实现人机互连，物物互连的智能化网络。协议3GPPR13针对此类物联网业务的特点，基于LTE进行演进，设计了专门用于物联网的FDD eMTC（Enhanced Machine Type Communications）技术，eMTC将被广泛应用在不同的垂直行业。本文通过对eMTC网络架构、eMTC关键技术特性、eMTC与LTE共存等多个角度进行分析和研究，通过对国内首个大规模eMTC试验网试商用部署和组网技术测评，归纳和总结网络部署相关建议，为全国商用规模部署eMTC网络提供有效的技术支撑和借鉴。

1 eMTC基本概况及关键技术

1.1 整体架构

eMTC的端到端系统架构如图1所示，与LTE相比，新增IoT平台和应用平台。IoT平台汇聚从各种接入网得到的IoT数据，根据不同类型转发至相应的业务应用服务器进行处理。应用平台是IoT数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。

图1 端到端系统架构

1.2 物理层结构

eMTC下行物理层结构与LTE相比，新增一套SIB消息和MPDCCH信道，减少PDCCH、PCFICH和PHICH下行信道。

FDD eMTC上行物理层结构与LTE相比，不共享PRACH和PUCCH信道资源。

1.3 覆盖增强

为了兼顾FDD eMTCUE的覆盖深度和容量性能，3GPP协议引入了覆盖增强等级（CE——Coverage Enhancement），如表1所示。

表1 eMTC覆盖增强模式

a）对于空闲态划分了4个不同的覆盖等级（CE Level0～3），4个覆盖等级分别相对于LTE的覆盖增强0 dB、5 dB、10 dB和15 dB。空闲态FDD eMTCUE可以根据实际测量的RSRP选择覆盖等级，不同覆盖等级对应的RSRP门限可以通过参数设置。

b）对于连接态划分了CE Mode A和CE Mode B 2个覆盖模式，空闲态的覆盖等级与连接态的覆盖模式之间有对应的映射关系。

1.4 eDRX省电机制

3GPPR13引入空闲态eDRX的差异处理，该特性通过扩展空闲态的寻呼周期，减少终端监听寻呼消息的时长进而节省终端功耗，延长待机和续航时间，提升用户体验。

1.5 调度策略

eMTC会占用LTE的RB资源，在不同的场景下资源调度也会有所不同。

场景1：LTE负荷高，eMTC无负荷。在此场景下，LTE可占用全部eMTC的空闲资源，保证LTE的资源利用率。

场景2：LTE负荷轻，eMTC负荷重。在此场景下，FDD eMTC可以占用大部分带宽。

场景3：LTE和eMTC负荷都重。在此场景下，可以按照设置的目标RB利用率，共享资源。

在对应的小区带宽内，eMTCUE采用动态的资源分配方式，不需要再重新配置Narrow Band。eMTC商用后，该机制可保证eMTC部署对LTE容量的影响可控。

1.6 VoLTE技术

根据协议规定，eMTC支持语音功能，这就使家庭警报、火灾警报、手表等应用更加方便进行“人物交互”，进一步提升用户体验。

1.7 移动性

eMTC与NB-IoT相比，支持不同小区间切换，移动性能大大增强，更加适合在穿戴类等产品使用。

1.8 峰值速率

NB-IoT目前仅支持最大200 kbit/s速率，eMTC最大支持1 Mbit/s速率，后续多载波应用后可达4/7 Mbit/s。eMTC提供更高的数据速率，在工业大数据包处理方面更加具有优势。

2 eMTC关键技术研究及实践

2.1 选网方案分析

由于窄带物联网技术及业务类型与传统LTE系统差异较大，在未来网络演进中，运营商希望能按照核心网“人物分离”原则，把NB-IoT和eMTC路由至物联网专网，以便于集中运维管理，目前有3种方案。

a）Decore方案：通过升级现网所有eNodeB、MME、HSS，将多种不同类型业务路由至不同专用核心网。MME根据开户信息“UE Usage Type”给用户分配DCN，eNodeB根据MME提供的DCN信息为UE选择接入MME。这种方案的缺点是需要改造所有现网设备，成本较高。

b）PLMN选网方案：在基站侧配置不同PLMN，开启ransharing功能，可将eMTC业务路由至不同专用核心网。该方案的缺点是基站和核心网配置复杂。

c）私有方案：在eMTC终端接入网络时，通过PRACH区分eMTC终端并选择独立的IoT核心网。该方案的优点是不需要升级网元，即可满足人物分离；该方案的缺点主要有以下2点：一是部分基站设备厂家不支持非标协议；二是由于未来LTE支持覆盖增强功能，LTE和eMTCPRACH资源相同无法区分，LTE可能会误选至物联网核心网。

2.2 速率的分析及实践

eMTC在速率上比NB-IoT更具有优势，更适用于电梯广告等大数据包业务。影响eMTC速率的原因有很多，包括模组的双工模式、覆盖情况、覆盖增强等级等。通过以下实践探索影响eMTC上下行吞吐率的原因。

首先搭建eMTC和LTE共站部署环境，然后将eMTC终端分别置于好、中、差点，发送UDP业务（持续大包业务），每个测试点持续发送3～5 min，记录SINR、RSRP以及不同点位速率等参数，结果如表2和表3所示。

表2 单用户定点上行速率测试

表3 单用户定点下行速率测试

结论如下：

a）峰值速率分析：eMTC终端为半双工模式，因测试卡限速至256 kbit/s，上下行峰值速率均可达到理论值256 kbit/s。

b）上下行速率分析：eMTC终端好点和中点速率变化不大；差点位置受RSRP/SINR影响，速率有所下降。这说明在覆盖较差情况下信号强度和质量对速率影响较大。

c）覆盖分析：eMTC终端在差点位置触发覆盖增强等级1门限，信道重复次数抬升，eMTC终端在-133电平仍可接入，而此时LTE终端在-128左右的电平下已无法接入，在覆盖边缘位置，eMTCUE对比LTE UE有5 dB的覆盖增益。

2.3 移动性分析及实践

eMTC技术是在LTE基础上进行优化设计，可支持连接态小区切换，这是NB-IoT所不具备的。影响eMTC移动性的原因有很多，包括切换的时延、切换成功率、不同移动速度等。通过以下实验探索影响eMTC移动性的原因。

在密集城区开通25个基站，共计91个小区，测试车以30 km/h及60 km/h速度匀速从起点出发，按照事先选择的行驶路线，遍历交通干道、次干道、主要支路，考察全网覆盖的连续性及切换测试。记录切换时延、RSRP、SINR、不同移动速度下的速率，实验结果如表4和表5所示。

表4 UE切换指标

表5 不同移动速度对性能影响

结论如下：

a）测试区域道路信号覆盖连续性良好，切换成功率100%，切换时延较低，平均切换时延35 ms，小区间切换较为顺畅，可支撑后续的移动性业务需求。

b）在不同移动速度下（30 km/h及60 km/h），Ping包时延变化幅度较小，Ping包成功率均为100%，说明上下行速率在不同移动速度下也无明显变化。

2.4 eMTC与LTE共存影响测试

eMTC和LTE共享RB资源，需验证eMTC与LTE共存是否对LTE有影响。分别关闭和开启eMTC，2个LTE终端与2个eMTC终端分别在好点和差点接入测试，考察eMTC与LTE共存时，用户峰值速率以及不同覆盖等级下的定点速率性能，实验结果如表6和表7所示。

表6 关闭eMTC特性验证

表7 打开eMTC特性验证

结论：eMTC特性开通后，LTE终端与eMTC终端共享RB资源，eMTC终端的接入会增加SIB消息、业务开销，导致LTE终端的RB资源减少，上下行吞吐率降低。

2.5 单站覆盖能力测试

eMTC具有覆盖增强的特性，覆盖距离更远，可能跟覆盖等级有关。选择一个主测小区，周围小区关闭，沿小区天线阵列法线方向选择一条直且长的路线。测试eMTC与LTE终端在1800MLTE&eMTC共部署小区下，在选定测试路线行驶至脱网，对比1800M eMTC与1800M LTE的极限覆盖能力。实验结果如表8所示。

表8 LTE和eMTC极限覆盖能力

结论：在eMTCModeA模式下（映射覆盖等级1），1800M eMTC相对1800M LTE覆盖增益5 dB，最大接入MCL 148 dB左右，单站拉远场景下，eMTC小区的覆盖半径与覆盖等级有关。

2.6 空闲态小区重选时延及成功率分析

后续eMTC网络商用情况下，为了达到节能效果，终端将长期处于空闲状态。因此需要验证eMTC在空闲态小区的重选时延及成功率是否可以达到预商用网络的要求。

在密集城区开通25个基站，共计91个小区。开通1∶1组网测试路线，终端进入IDLE态进行道路遍历测试，重选次数不少于50次。实验结果如表9所示。

表9 eMTC空闲态重选指标

结论：eMTC终端1、2互为对比，测试区域道路信号覆盖良好，重选成功率100%，且重选时延较低，63～69 ms，符合预期商用指标。

2.7 典型场景定点覆盖对比

eMTC属于典型物联网技术，其主要技术特点是将物品通过通信技术与网络连接，从而实现人机互连、物物互连的智能化网络。通过定点覆盖情况来探索eMTC在物联网场景下是否满足业务需求。分别在智能家居写字楼场景以及地下车库深度覆盖场景进行测试，结论如下。

a）写字楼场景下，主要对高、中、低层的楼道进行了遍历测试，基站主服务小区基本可以覆盖楼道内的弱电井、消防栓等关键位置，满足业务需求。

b）地下车库深度覆盖场景下，抽测的地下车库位于小区近点位置，-1楼信号覆盖基本可满足业务需求；-2楼位置明显有覆盖空洞，LTE无法接入，但eMTC终端可随机接入RSRP不低于-130 dBm的信号，边缘覆盖能力要比LTE强4～5 dB，满足物联网场景需求。

3 eMTC组网典型问题分析及建议

此次eMTC组网试验项目是全国第一个大规模外场测试，在项目研究开展过程中遇到了选网、附着、限速等技术问题，无法参考借鉴别人的经验，只能通过自主分析研究，攻克一个个难题，现简要列举项目中遇到的问题和解决方案。

3.1 终端附着失败

现象：终端无法正常附着核心网，如图2所示。原因：APN设置错误、460_06的CMS解析失败。解决方案：终端侧需修改APN为“NB-IoT”；在核心网侧，在MME添加460_06的CMS解析。

3.2 Ran sharing功能不生效

现象：基站侧开通RAN Sharing后，出现S1链路异常告警，MIB消息无法同时广播460_01与460_06 2条PLMN，如图3所示。

原因：核心网侧参数设置错误。

图2 附着核心网被拒绝

图3 功能开启后无法正常广播PLMN

解决方案：核心网侧的MME需要分别添加460_01/460_06 2条HPLMN，同时需要打开Network Share（MOCN）的License开关。

3.3 A2事件无法触发

现象：A2事件不触发，无法下发A3测量，无法切换移动性测试终端。

原因：A2触发门限为-104 dB，现网路段覆盖良好，无法触发A2门限。

解决方案：将A2门限设置为-85 dB，A3测量可正常下发，终端切换正常。

3.4 问题小区重选失败

现象：问题站点小区重选失败。

原因：小区重选优先级设置过低。

解决方案：将涉及的问题小区优先级修改为最大值7后，小区重选正常（见图4）。

3.5 选网方案建议

选网方案的选择对eMTC的规划有着重大的意义，有些NB+eMTC双模模组在不明确PLMN的情况下便无法接入网络。试验环境中LTE的PLMN是46001，NB-IoT的PLMN也是46001，eMTC规划的PLMN是46006。LTE和eMTC共小区，基站开启RAN Sharing功能，配置主46001和从46006。通过PLMN的不同选择，基站侧将LTE终端路由至传统核心网，同时将eMTC路由至物联网专网核心网。现场测试结果发现，由于NB+eMTC双模模组不区分LTE和eMTC，因此可能会出现eMTC接入失败的情况。

PLMN选网方案中基站和核心网配置复杂，且NB+eMTC双模模组无法区分，后续无法正式商用；私有方案属于非标协议正式商用无法满足。建议直接升级现网核心网设备，即使用Decore方案。

3.6 频率规划建议

频率规划建议如图5所示。

图4 修改小区重选优先级

图5 频率使用建议

3.6.1 1800M带宽频率规划（30M）

若1800M频段将2个载波（20M+10M）中心频点间隔压缩至14.4 MHz，将会预留出600 kHz带宽。

NB-IoT：在原G1800 637号频点部署，同时预留200 kHz（638频点位置）保护带。

eMTC：在LTE的10M载频开启eMTC功能即可，可快速部署。

3.6.2 900M带宽频率规划（6M）

NB-IoT：在原G900 124号频点部署，同时预留200 kHz（123号频点位置）保护带。

eMTC：建议在LTE 5M带宽（未来可能10M）开启eMTC功能。

4 结束语

eMTC支持语音业务，特别适用于紧急呼叫、报警、汽车紧急求救等情况，此外eMTC速率更高，适合高速移动的环境，包括穿戴类、健康监测、智能物流、电子广告牌等。业务前景广阔，符合市场预期需求。

部署eMTC成本较低，eMTC作为LTE的一个特性，可以通过软件升级实现平滑演进，不需要增加光纤、基带板卡等硬件，在现网即可快速部署。

此次厦门eMTC项目是全国第1个大规模外场测试，验证、优化各项参数性能指标，通过自主分析研究，攻克了一个个难题，可为后续的部署应用提供经验，同时对eMTC的全国商用提供数据支撑。